空氣源熱泵供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀*

孫茹男 羅會(huì)龍 李志國(guó) 劉兆宇 惠寵

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

2018年，全球一次能源消費(fèi)增長(zhǎng)迅速，增長(zhǎng)率高達(dá)2.9%，是2010年以來(lái)的最快增速[1]。我國(guó)北方地區(qū)冬季大規(guī)模采暖不僅過量消耗一次能源，而且?guī)?lái)了霧霾等嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。在此背景下，國(guó)家積極支持和推進(jìn)“煤改電”工程，以清潔能源替代化石燃料，從而改善空氣質(zhì)量，有效解決我國(guó)環(huán)境污染問題，提高人民的生活質(zhì)量。

空氣源熱泵作為21世紀(jì)清潔供暖方式的代表，既可以降低一次能源消費(fèi)、緩解能源壓力，又能消除傳統(tǒng)供暖方式帶來(lái)的不利影響。但現(xiàn)階段空氣源熱泵供暖運(yùn)行時(shí)效果還不理想，在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜、性能衰減以及回水溫度高等問題，導(dǎo)致其運(yùn)行性能惡化。

本文主要從提高空氣源熱泵供暖運(yùn)行性能研究方面，對(duì)空氣源熱泵供暖技術(shù)進(jìn)行了綜述，分析了系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及對(duì)供暖性能的影響，并提出了進(jìn)一步改善空氣源熱泵供暖性能的措施，為空氣源熱泵供暖技術(shù)的發(fā)展提供理論參考。

1 空氣源熱泵供暖技術(shù)研究

空氣源熱泵兼具制冷和制熱兩種功效。在冬季作為供暖設(shè)備時(shí)，通過熱泵技術(shù)從室外空氣中吸收熱量，將此熱量傳遞給熱媒循環(huán)水，使之溫度升高。但空氣源熱泵供暖運(yùn)行時(shí)受氣候條件的影響較大，如室外環(huán)境溫度、濕度的變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)的制熱量、COP以及運(yùn)行安全性造成不同程度的影響。

為提高空氣源熱泵供暖運(yùn)行性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)的研究類型主要包括：補(bǔ)氣增焓空氣源熱泵系統(tǒng)、雙級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)、復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)、帶回?zé)嵫h(huán)空氣源熱泵系統(tǒng)以及空氣源熱泵除霜系統(tǒng)。

1.1 補(bǔ)氣增焓空氣源熱泵系統(tǒng)

補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)是將冷凝器出口的高壓制冷劑液體分為補(bǔ)氣回路和主回路兩部分，補(bǔ)氣回路的制冷劑經(jīng)過中冷器(或閃發(fā)器)成為低溫氣體進(jìn)入壓縮機(jī)。在外界環(huán)境溫度較低時(shí)，與傳統(tǒng)單級(jí)壓縮系統(tǒng)相比，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的制熱量和COP更高。

在熱泵制熱領(lǐng)域的應(yīng)用研究方面，冉小鵬等[2]對(duì)補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證得出：補(bǔ)氣能夠有效降低壓縮機(jī)排氣溫度，提高制熱量，在相對(duì)補(bǔ)氣量最佳時(shí)系統(tǒng)制熱量可以提高33%，能效提高31%。XU SH X 等[3]研究了以R32作為制冷劑的補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的性能，采用補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均提高了0.8～1 ℃，且相對(duì)補(bǔ)氣量在12%～16%時(shí)系統(tǒng)整體運(yùn)行效果最好。HEO J等[4]研究了補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)在低溫環(huán)境下對(duì)變頻壓縮熱泵制熱性能的影響，與不帶補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的熱泵相比，在-15 ℃的低溫環(huán)境下，制冷劑總流量增加了30%～38%，熱泵系統(tǒng)的COP和制熱能力分別提高了10%和25%。WANG X等[5]通過對(duì)比帶閃發(fā)器和帶熱交換器的補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，帶熱交換器的系統(tǒng)補(bǔ)氣壓力工作范圍更大，與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)相比，在環(huán)境溫度為-17.8 ℃時(shí)，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的制熱量提高了30%，COP提高了20%。

補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)可在-25 ℃的條件下正常運(yùn)行，適用于北方嚴(yán)寒地區(qū)。但補(bǔ)氣增焓技術(shù)不能從根本上解決壓縮機(jī)壓縮比大、排氣溫度高的問題，且隨著蒸發(fā)溫度升高，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)變得不太明顯，研究范圍局限在低溫供熱。

1.2 雙級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)

雙級(jí)壓縮系統(tǒng)是利用兩級(jí)壓縮間的補(bǔ)氣系統(tǒng)來(lái)冷卻制冷劑，經(jīng)高級(jí)壓縮后的排氣溫度顯著降低。中間補(bǔ)氣系統(tǒng)分為經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)和中間冷卻器系統(tǒng)。

近年來(lái)，對(duì)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的研究主要涉及系統(tǒng)特性、運(yùn)行參數(shù)以及運(yùn)行優(yōu)化等方面。武文彬等[6]對(duì)比了雙級(jí)壓縮與普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)的制熱循環(huán)性能，在低溫工況下，雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的壓比更低，制熱量更高，即使在-20 ℃的低溫條件下系統(tǒng)性能COP仍然保持在1.5左右。BERTSCH S S等[7]研究了一種以R410A為制冷劑的雙級(jí)壓縮系統(tǒng)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠在-30～10 ℃的環(huán)境中運(yùn)行，供水溫度高達(dá)50 ℃。陳孚江等[8]研究了低溫工況下運(yùn)行參數(shù)對(duì)雙級(jí)壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻系統(tǒng)性能的影響發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)COP的影響最大，過冷度對(duì)系統(tǒng)COP的影響較小，過熱度幾乎不影響。此外，LI Y X等[9]理論分析了換熱器的熱導(dǎo)率分配以及低級(jí)壓縮與高級(jí)壓縮的容積比，通過優(yōu)化配置冷凝器和蒸發(fā)器的導(dǎo)熱率可以使系統(tǒng)COP達(dá)到最大，但還需要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

雙級(jí)壓縮系統(tǒng)具有壓縮比小、排氣溫度低、系統(tǒng)COP高等特點(diǎn)。但雙級(jí)壓縮系統(tǒng)由于采用高級(jí)壓縮和低級(jí)壓縮串聯(lián)的方式，致使壓縮機(jī)回油不均勻，同時(shí)還存在最佳中間壓力難以確定和溫跨范圍受限等問題。

1.3 復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)

早在20世紀(jì)30年代，人們就提出了復(fù)疊式的概念，并將其應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中。復(fù)疊式系統(tǒng)是通過借鑒復(fù)疊式制冷技術(shù)來(lái)解決空氣源熱泵供暖運(yùn)行時(shí)性能衰減的問題，擴(kuò)大空氣源熱泵的應(yīng)用范圍[10]。復(fù)疊式系統(tǒng)由低溫級(jí)和高溫級(jí)兩級(jí)制熱系統(tǒng)構(gòu)成，通過低溫級(jí)制熱系統(tǒng)制熱來(lái)為高溫級(jí)制熱系統(tǒng)運(yùn)行創(chuàng)造條件。

目前，關(guān)于復(fù)疊式系統(tǒng)制熱方面所做的研究相對(duì)較少。陳劍波等[11]通過對(duì)復(fù)疊式系統(tǒng)在不同工況下制取高溫?zé)崴目尚行匝芯堪l(fā)現(xiàn)，在-28 ℃的低溫環(huán)境下可制取80 ℃的高溫?zé)崴?，且機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)可靠，節(jié)能性較好。KIM D H等[12]研究得出，最佳中間溫度取決于冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、溫差、高溫循環(huán)和低溫循環(huán)效率等5個(gè)參數(shù)。除了對(duì)系統(tǒng)特性和最佳中間溫度選擇的研究外，研究者們還在性能改進(jìn)方面做了研究。楊永安等[13]提出了一種采用R410A單一工質(zhì)的復(fù)疊式系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有單級(jí)壓縮制熱和復(fù)疊式制熱兩種運(yùn)行模式，可根據(jù)不同工況來(lái)切換這兩種運(yùn)行模式，以滿足用戶的供暖需求。

復(fù)疊式系統(tǒng)通過采用高、低溫兩種工質(zhì)，使熱泵系統(tǒng)的溫跨范圍更大，能夠在較低的環(huán)境溫度下制取高溫?zé)崴?。但中間溫度是影響熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素，目前國(guó)內(nèi)對(duì)在不同室外工況下如何確定最佳中間溫度沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于該系統(tǒng)由兩個(gè)單獨(dú)循環(huán)的制熱系統(tǒng)組成，系統(tǒng)較為復(fù)雜，使用成本較高，目前并未真正在實(shí)際中得到應(yīng)用。

1.4 帶回?zé)嵫h(huán)空氣源熱泵系統(tǒng)

回?zé)崞魍ㄟ^降低冷凝器出口制冷劑的溫度，加強(qiáng)冷凝器中的換熱程度，減少節(jié)流損失，避免壓縮機(jī)產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，進(jìn)而提高系統(tǒng)整體循環(huán)效率。但壓縮機(jī)的吸氣過熱度也隨之增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣量降低，排氣溫度升高，引發(fā)壓縮機(jī)運(yùn)行安全問題。因此，要設(shè)置適宜的回?zé)崞髅娣e。

1.5 空氣源熱泵除霜系統(tǒng)

空氣源熱泵供暖運(yùn)行中的結(jié)霜問題不可避免，采取有效的除霜系統(tǒng)是保障空氣源熱泵供暖穩(wěn)定高效運(yùn)行的措施之一。根據(jù)除霜機(jī)理和除霜能量來(lái)源不同，開發(fā)了熱力除霜系統(tǒng)和非熱力除霜系統(tǒng)。

1.5.1 熱力除霜系統(tǒng)

熱力除霜系統(tǒng)是最常見的除霜系統(tǒng)，主要包括逆循環(huán)除霜系統(tǒng)、熱氣旁通除霜系統(tǒng)以及蓄能除霜系統(tǒng)。逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜是目前應(yīng)用最廣泛的兩種除霜方法，DONG J K等[19]通過對(duì)逆循環(huán)除霜過程中能量來(lái)源及能耗的研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)除霜的能量來(lái)源主要是室內(nèi)空氣的熱能、室內(nèi)換熱器盤管余熱和壓縮機(jī)做功，但由于室內(nèi)空氣熱能占比最高為71.8%，所以除霜時(shí)室內(nèi)熱舒適性會(huì)下降。CHOI H J等[20]提出了一種雙熱氣旁通除霜系統(tǒng)，能夠在持續(xù)高效供熱的同時(shí)縮短除霜時(shí)間，以改善傳統(tǒng)熱氣旁通除霜系統(tǒng)的性能。蓄能除霜系統(tǒng)是在逆循環(huán)除霜的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，張杰等[21]通過對(duì)比逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜，無(wú)論從除霜時(shí)間還是能耗分析，蓄能除霜的性能都大大優(yōu)于逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜，節(jié)能效果達(dá)到31.3%。

逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、成本較低、適用范圍廣、除霜效果良好，但受除霜能量來(lái)源的限制，除霜時(shí)間較長(zhǎng)；蓄能除霜系統(tǒng)雖然解決了除霜能量來(lái)源不足的問題，但仍存在除霜時(shí)室內(nèi)供熱中斷的問題。

1.5.2 非熱力除霜系統(tǒng)

非熱力除霜是利用外加力場(chǎng)來(lái)除霜，主要包括外加電場(chǎng)和超聲波。WANG CH CH 等[22]和TUDOR V 等[23]研究了直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng)對(duì)冷表面結(jié)霜的影響發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)存在的情況下，形成的霜層結(jié)構(gòu)薄弱，更易脫落，而且與直流電場(chǎng)對(duì)比，交流電場(chǎng)作用下結(jié)霜度降低高達(dá)46%，減少冷表面結(jié)霜的效果更好。譚海輝等[24]通過超聲除霜試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超聲除霜效率比逆循環(huán)除霜效率至少高7倍，且除霜能耗低，但并不能完全去除室外換熱器表面的結(jié)霜。

無(wú)論是外加電場(chǎng)還是超聲波都能從根本上抑制結(jié)霜，但外加電場(chǎng)會(huì)帶來(lái)一定的危險(xiǎn)性和能耗問題，超聲波除霜受區(qū)域的限制不能完全去除翅片上的基層冰，不利于空氣源熱泵供暖運(yùn)行。

2 結(jié)論

近年來(lái)，空氣源熱泵供暖技術(shù)迅猛發(fā)展，應(yīng)用區(qū)域逐年增加，對(duì)空氣源熱泵供暖運(yùn)行性能提出了更高的要求。補(bǔ)氣增焓和雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的應(yīng)用，可有效改善其供暖運(yùn)行性能衰減問題；復(fù)疊式系統(tǒng)通過擴(kuò)大溫跨范圍，使得空氣源熱泵在較低室外工況下供暖運(yùn)行效果得以更好地保證，但是成本較高；在系統(tǒng)中增設(shè)回?zé)崞?，可更有效地提高系統(tǒng)循環(huán)效率；除霜系統(tǒng)能更有效地解決結(jié)霜問題，熱力除霜系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、適用性較好，但除霜時(shí)間長(zhǎng)；非熱力除霜系統(tǒng)除霜效率有大幅優(yōu)化，但仍在實(shí)驗(yàn)研究階段。

隨著人們生活水平的提高，人們將越來(lái)越注重人居環(huán)境，對(duì)空氣源熱泵供暖技術(shù)的要求會(huì)更高。為提高空氣源熱泵供暖運(yùn)行性能，可從系統(tǒng)優(yōu)化、改進(jìn)除霜方法、采用新工質(zhì)等多方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(1)空氣源熱泵可通過優(yōu)化常規(guī)熱泵系統(tǒng)達(dá)到更好的供暖運(yùn)行效果，如多熱源輔助熱泵系統(tǒng)、雙級(jí)壓縮與變頻技術(shù)結(jié)合、復(fù)疊式技術(shù)等。通過深入研究熱泵系統(tǒng)理論機(jī)理，優(yōu)化設(shè)計(jì)空氣源熱泵系統(tǒng)，開發(fā)新型空氣源熱泵系統(tǒng)等措施，以期使空氣源熱泵供暖運(yùn)行時(shí)制熱功率、COP等得到更大的提升。

(2)除霜方法是解決空氣源熱泵結(jié)霜問題的主要手段，通過深入研究結(jié)霜機(jī)理、提出新的除霜方法、優(yōu)化除霜控制等措施來(lái)改善空氣源熱泵供暖運(yùn)行性能。

(3)不同的制冷劑工質(zhì)決定了熱泵循環(huán)的制熱性和節(jié)能性，在空氣源熱泵供暖過程中，通過研究制冷劑工質(zhì)的熱物性、選擇合適的工質(zhì)，研發(fā)綠色高效的新型工質(zhì)，促進(jìn)空氣源熱泵供暖技術(shù)的發(fā)展。